KR101888414B1 - 전광 메모리 소자 - Google Patents

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김준수
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Abstract

본 발명은 전광 메모리 소자에 관한 것으로, 본 발명은 전광 메모리 소자에 있어서, 레이저를 발진 할 수 있는 레이저 광원; set 및 reset 신호 각각을 수신할 수 있는 두 개의 입력포트; 광 신호를 출력할 수 있는 출력포트; 및 제 1 안정 상태 및 제 2 안정 상태 각각에 대응하는 광 신호를 출력할 수 있는 광 쌍안정성 장치를 포함하고, 상기 광 쌍안정성 장치는 상기 set 및 상기 reset에 따라서, 제 1 안정 상태 및 제 2 안정 상태를 변환할 수 있는 전광 메모리 소자를 제공하여, 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 전력 효율을 향상시키고, 시스템 복잡도를 최소화하여 소형의 전광 기억 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.

Description

전광 메모리 소자{All-optical memory device}
본 발명은 전광 메모리 소자에 관한 것으로, 구체적으로 광 쌍안정성 소자와 4파장 혼합을 이용한 메모리 모듈에 관한 것이다.
전광 기억 소자는 기존 반도체 메모리 및 중간 전기 신호 처리 장치를 광학 장치 및 광신호 처리 장치로 대체하여 데이터를 저장할 수 있는 소자이다. 전광 기억 소자는 기존의 반도체 메모리와 비교하여 전자기 간섭에 대한 내성이 크고 고속 신호 처리가 가능하다는 장점이 있다.
종래의 전광 기억 소자는 두 개의 광증폭기를 이용하는 방법, 상호위상변조 (XPM) 을 이용해 광 쌍안정성 장치의 hysteresis 특성을 변화시키는 방법, 그리고 광 쌍안정성 링 공진기와 위상변조를 이용하는 방법 등을 이용하여 구동하였다.
하지만, 두 개의 광증폭기를 사용하는 경우는 두 개의 능동소자를 이용하기 때문에 필요 전력량이 크고 구성이 복잡하다는 단점이 있다.
또한, 광 쌍안정성 장치의 hysteresis 특성을 변화시킬 경우, XPM에 의한 광증폭기의 이득 변화와 이에 따른 hysteresis 특성이 변하는 특수 소자가 필요하다는 단점이 있다.
그리고 광 쌍안정성 링공진기를 이용하기 위해서는 광입력 모두 반드시 위상변조가 되어 있어야 한다는 단점이 존재하였다.
따라서 이러한 단점을 극복하고 효율적으로 동작하는 전광 기억 소자에 대한 연구가 지속적으로 진행 중 이다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 전력 효율을 향상시키고, 시스템 복잡도를 최소화하여 소형의 전광 기억 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 전광 메모리 소자에 있어서, 레이저를 발진 할 수 있는 레이저 광원; set 및 reset 신호 각각을 수신할 수 있는 두 개의 입력포트; 광 신호를 출력할 수 있는 출력포트; 및 제 1 안정 상태 및 제 2 안정 상태 각각에 대응하는 광 신호를 출력할 수 있는 광 쌍안정성 장치를 포함하고, 상기 광 쌍안정성 장치는 상기 set 및 상기 reset에 따라서, 제 1 안정 상태 및 제 2 안정 상태를 변환할 수 있는 전광 메모리 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 전광 메모리 소자의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 전력 효율을 향상시키고, 시스템 복잡도를 최소화하여 소형의 전광 기억 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 전광 기억 소자의 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 입력 광파워에 따른 광 쌍안정성 장치의 광출력 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 제 1 안정상태의 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 제 2 안정상태의 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 4파장혼합이 발생할 경우, 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 광입력 펄스와 이에 따른 광 쌍안정장치의 출력 펄스를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 전광 기억 소자의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전광 기억 소자의 개념도이다.
전광 기억 소자(100)는 레이저 광원(110), 광커플러(120), 광증폭기(130), 4파장 혼합 발생 장치(140), 광 쌍안정성 장치(150), 광커플러(160), 광순환기(170) 및 대역통과필터(180) 등 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
레이저 광원(110)은 단일 파장의 광출력을 발진 시킬 수 있다. 레이저 광원(110)은 광 쌍안정성 장치의 쌍안정상태를 유지하기 위해 일정한 광출력을 발진 시킬 수 있다. 레이저 광원(110)에서 출력된 광은 광증폭기(130)에서 증폭될 수 있으며, 증폭되기 전에 광커플러(120)을 통해 Reset 신호를 입력 받을 수 있다.
광커플러(120) 및 광커플러(160)은 광섬유를 타고 이동하는 단일의 광신호를 복수의 경로로 분기하거나, 광섬유를 타고 이동하는 복수의 광신호를 하나의 경로로 결합하거나 또는 양 방향으로 분기/결합을 할 수 있다.
4파장 혼합 발생 장치(140)는 광 쌍안정성 장치(150)의 출력 파워를 제 2 안정상태 (52)에서 제 1 안정상태 (54)로 되돌아 가게 하는 역할을 수행한다. 4파장 혼합 발생 장치(140)는 일반적으로 유전체 물질로 이루어진 도파로 형태로서 입력 광의 세기가 일정 값을 넘어서면 비선형 현상을 일으키는 역할을 갖는다. 다수의 입력 광에 비선형 현상이 일어나면 원래의 광 외에 새로운 파장의 광들이 생성되며, 특히 두 개의 입사 광에 대해 다른 파장 값을 갖는 광원이 발생하는 경우를 4파장 혼합이라 한다. 새로운 파장이 발생되는 경우 전체 에너지 일정의 법칙에 의해 입사 광들의 세기가 줄어 들게 되며, 따라서 광 쌍안정성 장치(150)로 들어 가는 레이저 광원(110)의 출력이 줄어 들게 되어 광 쌍안정성 장치(150)의 출력 파워는 제 2 안정상태 (52) 를 유지하지 못하고 제 1 안정상태 (54) 복귀한다.
광 쌍안정성 장치(150)는 여러 파장을 동시에 발진시키는 다 파장 광원으로서 입력된 레이저 광원(110)에 대해 도 2a와 같은 hysteresis 특성을 보이는 중요한 수단을 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에서 광 쌍안정성 장치는 다 파장 광원 하나를 포함할 수 있다.
광순환기(170)는 광신호의 흐름을 바꾸어주는 역할을 수행하며, 광커플러 (160)로부터 입사하는 광신호를 광 쌍안정성 장치(150)로 보내주며, 다시 광 쌍안정성 장치(150)로부터 나오는 광신호를 대역통과필터 (180)로 보내는 역할을 수행한다.
대역통과필터(170)는 레이저 광원(110)을 제외한 다른 파장의 빛을 제거하는 역할을 수행한다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에서, 전광 기억 소자(100)의 쌍안정상태를 유지하기 위해 레이저 광원(110) 은 일정한 광출력을 발진시키고, 발진된 광출력은 광커플러 (120, 160), 광증폭기 (130), 4파장혼합 발생장치 (140) 를 거쳐 광 쌍안정성 장치 (150) 로 입력될 수 있으며, 이를 통해 전광 기억 소자(100)는 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 전력 효율을 향상시키고, 시스템 복잡도를 최소화하여 소형화된 전광 기억 소자의 장점을 얻을 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 입력 광파워에 따른 광 쌍안정성 장치의 hysteresis 특성과, 그 실시 예를 나타내다.
도 2a를 참조하면, set 광펄스 또는 reset 광펄스 입력이 없는 초기 상태에 광 쌍안정성 장치(150)의 출력 파워는 제 1 안정상태 (51) 를 유지할 수 있다.
set 광펄스가 광커플러 (160) 및 광순환기 (170) 를 통해 광 쌍안정성 장치(150)에 입력되면 광 쌍안정성 장치(150)의 다 파장 광원은 파장 값이 증가하는 방향으로 동시에 이동하며, 이동 정도는 set 광펄스의 파워에 의해 결정된다. set 광펄스에 의해 이동된 파장 중 하나가 레이저 광원(110)의 파장과 일치하는 경우 광 쌍안정성 장치(150)의 52상태의 광출력을 내보내고, 광펄스 입력이 없어진 후, 제 2 안정상태 (53) 로 높은 광출력을 유지할 수 있다.
Reset 광펄스가 광커플러 (120), 광증폭기 (130) 를 통해 4파장혼합 발생장치 (140) 로 입력되면, 4파장혼합에 의해 광 쌍안정성 장치(150)로 입력되는 레이저 광원(110)의 파워가 줄어 들게 되어, 광 쌍안정성 장치(150)내에서의 set 광펄스의 역할과 반대 현상으로 광 쌍안정성 장치(150)로 사용되는 다파장 광원은 원래의 위치 즉, 파장 값이 감소하는 방향으로 이동하게 되어 레이저 광원(110)의 파장과 분리되며, 결과로서 광 쌍안정성 장치(150)내에서 레이저 광원(110)의 파워가 줄어 들어 대역통과필터(180)를 통과한 광 쌍안정성 장치(150)의 광출력은 감소하여 54 상태가 된다.
이후, reset 광펄스 입력이 없어지더라도, 광 쌍안정성 장치(150)의 광출력은 초기 제 1 안정상태(51)를 유지한다.
즉, 전광 기억 소자(100)는 두 개의 입력포트와 한 개의 출력포트로 구성될 수 있다. set 광펄스 입력은 정보 저장을 위한 광 신호로 사용되며, 또 다른 광펄스 입력인 reset 광펄스는 저장된 정보를 삭제할 때 사용될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 쌍안정성 장치(150)의 실체 출력에 대한 실험 데이터이다.
도 2b를 참조하면, 제 1 안정상태 및 제 1 안정상태가 여기되어 제 2 안정상태로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 제 1 안정상태의 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다. 스펙트럼상에서 왼쪽 피크는 광 쌍안정성 장치(150)로 사용되는 다파장 광원의 여러 스펙트럼 피크 중 하나를 보인 것이며, 오른쪽 피크는 단일 파장인 레이저 광원의 출력을 보인 것이다.
도 4는 제 2 안정상태의 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 4파장혼합이 발생할 경우, 광 쌍안정성 장치의 출력 광스펙트럼을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 대역통과필터 (180)를 통과한 후 광 쌍안정성 장치(150)의 출력 신호를 시간영역에서 측정한 파형을 나타낸다.
구제적으로, set 광펄스 또는 reset 광펄스 입력이 없는 초기 상태에 광 쌍안정성 장치(150)의 출력 파워는 도3과 같은 제 1 안정상태를 유지할 수 있다.
또한, set 광펄스가 광커플러 (160) 및 광순환기 (170) 를 통해 광 쌍안정성 장치(150)에 입력되면 광 쌍안정성 장치(150)는 제 2 안정상태보다 다소 높은 광출력을 내보내고, 광펄스 입력이 없어진 후, 도 4와 같은 제 2 안정상태로 높은 광출력을 유지할 수 있다.
Reset 광펄스가 광커플러 (120), 광증폭기 (130) 를 통해 4파장혼합 발생장치 (140) 로 입력되면, Reset 광펄스의 세기에 의해 4파장혼합이 발생하며, 이로 인해 새로운 파장이 발생되고 상대적으로 레이저 광원과 Reset 광원의 세기는 줄어 든다. 도 5는 4파장혼합이 발생한 경우의 광 쌍안정성 장치(150)의 출력을 보여준 것으로 새로운 파장의 생성과 함께 레이저 강원의 출력 세기가 줄어 든 것을 확인할 수 있으며, 결과로서 도 2a에서와 같이 레이저 광원의 파장 위치에서 광 쌍안정성 장치(150)의 광출력이 감소하여 제 1 안정상태 보다 다소 낮은 출력을 방출 할 수 있다.
이후, reset 광펄스 입력이 없어지면, 광 쌍안정성 장치(150)의 광출력은 초기 제 1 안정상태를 유지할 수 있다.
본 발명은 기존 발명과 달리 필요 능동소자의 수가 적고, 범용적으로 쓰이는 광원과 광학 소자만을 가지고도 구현 가능한 장점이 있다. 또한, 광 증폭기 자체의 이득 포화 특성, XPM에 의한 광 쌍안정성 장치의 hysteresis 특성 변화, 또는 광입력의 위상 변화에 따른 장치의 출력 투과 특성 변화 등을 이용하는 종래의 기술에 비하여, 4파장혼합에 의한 레이저 광원 출력 세기 조정으로 광 쌍안정성 장치 출력 특성 변화를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술 대비 구성 소자의 수를 줄일 수 있기 때문에 전광 기억 소자의 크기를 소형화 하는데 큰 장점이 있다.
또한, 능동 소자의 구동에 필요한 에너지 소비를 줄일 수 있기 때문에 에너지 효율성도 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6a 내지 도 6c는 광입력 펄스와 이에 따른 광 쌍안정장치의 출력 펄스를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 set 광펄스, reset 광펄스 및 광펄스 입력 상태에 따른 제안 장치의 광출력 펄스를 나타낸다.
도 6a에 도시된 펄스는 광커플러(160)로 입력되는 set 광펄스 일 수 있다. 또한, 도 6b에 도시된 펄스는 광커플러(120)러 입력되는 reset 광펄스 일 수 있다. 그리고, 도 6c에 도시된 펄스는 대역통과 필터(180)에서 출력되는 광출력 펄스 일 수 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 광출력 펄스는 set 광펄스가 입력되면 상승하고, reset 광펄스가 입력하면 하강하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관련된 전광 기억 소자의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 정보 저장을 위한 제안 장치 동작의 순서 흐름을 파악할 수 있다.
전광 기억 소자의 동작을 위해서는 레이저 광원 출력을 유지하는 단계(S710), 데이터 저장/삭제 필요를 판단하는 단계(S720), set광원을 입력하는 단계(S730), reset 광펄스를 입력하는 단계(S740) 및 광 쌍안정성 장치에서 광펄스를 출력하는 단계(S750)를 포함할 수 있다.
레이저 광원 출력을 유지하는 단계(S710)는 전광 기억 소자(100)는 출력포트에서 출력되는 광원의 출력을 일정하게 유지시킬 수 있다. 출력되는 광원의 출력을 일정하게 유지하는 것으로 데이터를 저장할 수 있다.
데이터 저장/삭제 필요를 판단하는 단계(S720)에서 저장된 데이트를 삭제하거나 새로운 데이터를 저장하는 판단은 외부 제어장치에서 이루어 질 수 있다. 전광 기억 소자(100)는 외부의 제어장치와 연동 되어 구동될 수 있으며, 외부의 제어장치는 컴퓨터, 스마트폰과 같이 제어기능이 있는 다양한 전자기기 일 수 있다.
set광원을 입력하는 단계(S730) 및 reset 광펄스를 입력하는 단계(S740)에서 전광 기억 소자(100)는 두 개의 입력포트에 set 광펄스 또는 reset 광펄스 입력이 인가될 수 있다.
광 쌍안정성 장치에서 광펄스를 출력하는 단계(S750)에서 제 1 안정상태 또는 제 2 안정상태로 광출력을 출력할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는 구체적인 구성 요소등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 전광기억 소자
110: 레이저 광원
120, 160: 광커플러
130: 광증폭기
140: 4파장 혼합 발생 장치
150: 광 쌍안정성 장치
170: 광순환기
180: 대역통과필터

Claims (5)

  1. 전광 메모리 소자에 있어서,
    레이저를 발진 할 수 있는 레이저 광원;
    set 및 reset 신호 각각을 수신할 수 있는 두 개의 입력포트;
    광 신호를 출력할 수 있는 출력포트; 및
    제 1 안정 상태 및 제 2 안정 상태 각각에 대응하는 광 신호를 출력할 수 있는 광 쌍안정성 장치: 및
    비선형 광 신호를 생성하는 4파장혼합 발생장치를 포함하고,
    상기 광 쌍안정성 장치의 출력이 상기 제 2 안정 상태이고,
    상기 입력포트에 상기 reset 신호가 인가되면, 상기 4파장혼합 발생 장치는 새로운 파장의 광 신호를 발생하고 결과로서 레이저 광원의 출력 세기가 줄어 들며,
    광 쌍안정성 장치에 입력되는 레이저 광원의 출력 세기가 감소함으로써, 상기 광 쌍안정성 장치의 출력이 상기 제 2 안정 상태에서 상기 제 1 안정 상태로 변경되는전광 메모리 소자.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제 1 안정 상태의 출력은 상기 제 2 안정 상태의 출력보다 낮은 전광 메모리 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 set 신호는 데이터를 저장하는 신호이고,
    상기 reset 신호는 데이터를 삭제하는 신호인, 전광 메모리 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광 쌍안정성 장치는 다 파장을 갖는 단일 광원으로 구성되는 전광 메모리 소자.
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WO2023234760A1 (ko) * 2022-06-03 2023-12-07 아주대학교산학협력단 파이로 전기 특성을 갖는 강유전체 박막을 구비하는 광센서 및 메모리 장치

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WO2023234760A1 (ko) * 2022-06-03 2023-12-07 아주대학교산학협력단 파이로 전기 특성을 갖는 강유전체 박막을 구비하는 광센서 및 메모리 장치

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